Avtomatizacija_proekt._i_tekhn._pechatnykh_plat

Федеральное агентство по образованию

Тверской государственный технический университет

В.А. Овчинников, А.Н. Васильев, В.В. Лебедев

Автоматизация проектирования и технология производства печатных плат

Учебное пособие

Издание первое

Рекомендовано государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника».

Регистрационный номер рецензии «174 » от «14.11.2008» МГУП

Тверь 2009

2

УДК 681.3 ББК 32.973.я7

Овчинников, В.А. Автоматизация проектирования и технология производства печатных плат : учебное пособие / В.А. Овчинников, А.Н. Васильев, В.В. Лебедев. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2009. 234 с.

Содержит теоретические сведения об автоматизации конструкторского проектирования печатных плат, а также описание конкретного процесса проектирования с использованием программного комплекса P-CAD 2006.

Содержание учебного пособия соответствует рабочей программе по курсу «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ».

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки ВПО 230100 «Информатика и вычислительная техника» специальности ВПО 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» для изучения теоретических вопросов данной дисциплины, а также при проведении семинарских занятий, лабораторного практикума, курсовых работ.

Рецензенты: кандидат технических наук, директор ООО «ПКФ ВОСТОК» А.В. Румянцев; федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро транспортного машиностроения» (ведущий инженер Д.В. Суринский)

ISBN 978-5-7995-0428-1	© Тверской государственный
	технический университет, 2009

	3
	Оглавление
Введение...........................................................................................................		5
Теоретическая часть.........................................................................................		6
1.	Общая характеристика процесса проектирования ЭВА ............................	6
2.	Системы автоматизированного проектирования........................................	9

3.Задачи автоматизированного конструкторского проектирования……... 12

4.Математические модели схем и монтажного пространства……………. 13

5.	Постановка задачи размещения...................................................................	17
6.	Последовательные алгоритмы размещения………………………………18
7.	Общая постановка задачи трассировки.....................................................	22
8.	Алгоритмы решения задачи трассировки.................................................	27
9.	Технология, виды и параметры печатных плат........................................	34
9.1. Классификация методов конструирования печатных плат и узлов. ....		34
9.2. Технологии печатных плат.....................................................................		35
9.3. Виды печатных плат……………………………………………………...36
9.3.1. Односторонние печатные платы .........................................................		36
9.3.2. Двухсторонние печатные платы..........................................................		38
9.3.3. Многослойные печатные платы ..........................................................		39
9.3.4. Гибкие печатные платы........................................................................		42
9.3.5. Рельефные печатные платы .................................................................		44
9.4. Толщина печатных плат..........................................................................		46
9.5. Класс точности ........................................................................................		48
9.6. Параметры проводников и зазоров ........................................................		49
9.7. Защитные покрытия печатных плат.......................................................		53
9.8. Маркировка печатных плат ....................................................................		55
Практическая часть. Процесс создания печатных плат в программном
комплексе P-CAD 2006..................................................................................		56
1.	Создание библиотечных элементов..........................................................	56
1.1. Создание символьного элемента 54ALS02............................................		56
1.2. Создание посадочного места для радиоэлемента на печатной плате при
помощи программы P-CAD 2006 Pattern Editor............................................		63
1.2.1. Настройка конфигурации графического редактора............................		65
1.2.2. Запись созданного символьного элемента в библиотеку элементов. 67
1.3. Создание библиотеки..............................................................................		67
2.	Создание принципиальных электрических схем......................................	70
2.1. Создание схемы средствами схемного редактора P-CAD 2006
Schematic.........................................................................................................		70
2.1.1. Настройка конфигурации редактора...................................................		70
2.1.2. Размещение элементов схемы. ............................................................		72
2.1.3. Разводка соединительных проводников .............................................		74
2.1.4. Генерация списка соединений.............................................................		77

4

3. Трассировка печатных плат………………………………………………..78

3.1. Основные сведения о печатных платах..................................................	78
3.2. Технологический редактор P-CAD 2006 EDA PCB ..............................	79
3.3. Выполнение разводки ПП.......................................................................	80

3.3.1. Создание нового проекта. Установка начальных параметров………80

3.3.2. Загрузка списка соединений................................................................	81
3.3.3. Установка границ ПП...........................................................................	81
3.3.4. Ручное размещение элементов ............................................................	82
3.3.5. Автоматическое размещение элементов.............................................	82
3.3.6. Автоматическая трассировка...............................................................	84
3.4. Подготовка отчетности...........................................................................	86

Приложения…………………………………………………………………... 87 Лабораторная работа №1. Знакомство с интерфейсом и изучение

принципов работы в среде P-CAD v.2006.....................................................

87

Лабораторная работа №2. Формирование электрической схемы с помощью

библиотек P-CAD 2006 Schematic...............................................................	113
Лабораторная работа №3. Создание	библиотечных элементов в среде
P-CAD v.2006 ............................................................................................	129

Лабораторная работа №4. Построение принципиальной схемы устройства в

P-CAD v.2006 ............................................................................................	164
Лабораторная работа №5. Выполнение разводки печатной платы в P-CAD
2006 Schematic.............................................................................................	202
Библиографический список.........................................................................	231

5

ВВЕДЕНИЕ

За прошедшие годы компьютерная техника претерпела существенные изменения. Современные компьютеры и вычислительная техника более надежны и устойчивы в эксплуатации, стала шире и область их применения. Компьютеры объединяют в системы и вычислительные комплексы, обеспечивающие решение различных задач практически во всех сферах деятельности современного человека. Научно-технический прогресс в области создания новых средств радиоэлектроники и вычислительной техники во многом зависит от успешного решения проблемы автоматизации проектирования. Уровень сложности современной радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры приблизился к границе, за которой эффективность труда человека-проектировщика резко падает, а число ошибок возрастает. Это особенно наглядно видно на этапе создания рабочего проекта устройства, когда конструктору приходится выполнять значительный объем нетворческой работы.

Автоматизация конструирования – это не только способ повышения производительности труда конструктора, но и надежный способ снижения стоимости проектирования и повышения качества конструкторской документации. Проблемами автоматизации конструирования занимаются более 30 лет, однако они и сегодня актуальны. В настоящее время современные достижения точного приборостроения, промышленных средств связи, медицинской техники и других отраслей невозможны без широкого использования электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Электронная аппаратура – это сложные комплексы устройств, предназначенные для электронной обработки информации, т.е. для хранения, преобразования и отображения ее в форму, удобную для восприятия человеком в соответствии с заданной программой.

Все разнообразные средства цифровой техники: ЭВМ, микропроцессорные системы измерений и автоматизация технологических процессов, цифровая связь и телевидение и т.д. – строятся на единой элементной базе, в состав которой входят чрезвычайно разные по сложности микросхемы – от логических элементов, выполняющих простейшие операции, до сложнейших программируемых кристаллов, содержащих десятки миллионов логических элементов.

Сейчас во всем мире наблюдаются резкое увеличение производства электронной аппаратуры и повышение ее возможностей. Особенно это связано с последними успехами в области микроэлектроники.

6

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Общая характеристика процесса проектирования ЭВА

Разработка и внедрение ЭВА является одним из основных показателей современной научно-технической революции. Прогресс в области создания ЭВА определяется повышением надежности, экономичности, качества и эффективности устройств, совершенствованием схем, конструкций и технологий.

Процесс создания ЭВА условно разделяется на три основных этапа проектирования: схемотехническое, конструкторское, технологическое. На первом этапе разрабатывается архитектура будущей ЭВА. Материализация же основных идей ЭВА осуществляется на стадии конструирования и технологии производства. Именно здесь происходят воплощение электронных схем в микроэлектронные конструкции, рождение жизнеспособных изделий, отвечающих современным требованиям науки, техники и производства. В процессе создания ЭВА тесно переплетаются вопросы разработки функциональных схем, конструкции и технологии. Даже небольшие изменения в логике ЭВА без учета конструкторско-технологических факторов приводят к ухудшению ее основных характеристик.

Расширение функциональных возможностей и усложнение ЭВА поставили ученых и инженеров перед необходимостью поиска новых принципов конструирования и технологии, коренного изменения методики конструирования на основе использования современных средств вычислительной техники.

В общем случае процесс автоматизации проектирования схем ЭВА, как и любых дискретных устройств, состоит из трех этапов: системотехнический (системное и структурное проектирование); схемотехнический (моделирование, логическое проектирование, контроль и построение диагностических тестов); конструкторский (техническое и технологическое проектирование).

При системном проектировании используются идеи и методы системного анализа. На основе многочисленных факторов проводится всесторонний анализ технического задания на разработку ЭВА и принимается решение относительно методики построения и путей реализации вычислительного процесса.

При структурном проектировании разрабатываются общая структурная схема ЭВА и алгоритмы выполнения отдельных операций. Для выбора структуры необходимо учитывать требования технологичности, надежности, возможности более широкого использования однородных и унифицированных узлов.

Системотехнический этап проектирования является неформализованным процессом, где используются творческие возможности инженера. Электронная вычислительная машина просматривает варианты решений,

7

принимаемых разработчиком, и выбирает из них оптимальный. На этом этапе используются специальные языки, формальные методы генерации вариантов вычислительного процесса по исходному заданию методом автоматического получения структурных схем.

При схемотехническом проектировании широко используются логические и вычислительные возможности ЭВМ. Целью логического проектирования ЭВА является автоматический или автоматизированный формализованный абстрактный и структурный синтез узлов, выбранных в результате структурного проектирования, при котором проверяется эквивалентность исходного задания конечному результату. В теоретическом плане здесь имеются существенные достижения: автоматически синтезируются управляющие и специального вида операционные устройства. На практике при автоматизации логического проектирования схем требуется решение большого числа задач: разработка эффективных языков описания исходных заданий языком структурного проектирования, алгоритмов построения формальных моделей устройств и др.

При логическом проектировании важнейшими критериями оптимизации являются: минимизация числа типов логических узлов, достижение максимальной однотипности логических блоков, возможность эффективного моделирования и диагностирования схем, максимальный учет требований конструкторского и технологического проектирования.

Задачи моделирования – построение карты состояний для логических сигналов, проверка временных соотношений при прохождении входных сигналов, анализ функциональных схем на соответствие заданной системе булевых функций.

Различают физическое и математическое моделирование. Для схем ЭВА более важным является математическое моделирование, так как использование сложных интегральных микросхем исключает возможность физического моделирования.

Развитием подэтапа моделирования являются контроль и диагностика. При этом определяется методика построения схем аппаратного контроля, разрабатываются системы тестового обслуживания, определяются необходимые степень и уровень резервирования для выбора минимальной ремонтируемой единицы. Это связано с увеличением надежности используемых элементов и укрупнением типовых элементов замены в устройствах.

Функциональные схемы, полученные в результате логического синтеза и моделирования, служат входной информацией для конструкторского (технического, монтажно-коммутационного, физического) проектирования. Необходимо решать основные задачи: покрытие функциональной схемы ячейками из заданного набора, т.е. переход к принципиальной электрической схеме устройства; компоновка элементов схемы в типовые элементы замены (ТЭЗ) – ремонтопригодные конструктивные единицы, панели, блоки, стойки и т.д.; размещение элементов в конструктивных едини-

8

цах по различным критериям; распределение цепей по слоям, многослойная или двухслойная трассировка и контроль правильности полученной топологии.

Цель технологического проектирования – автоматизированная выдача технологических документов, разработка алгоритмов управления координатографами и другими периферийными устройствами и методов автоматического получения фотошаблонов, служащих руководящими материалами в системе производства.

Важнейшая задача проблемы автоматизации проектирования, конструирования и изготовления схем – автоматизация конструкторского проектирования.

Вопросы разработки и исследования методов, алгоритмов и систем автоматизации проектирования обсуждаются с использованием методов современной математики. Основу проектирования составляют математическое описание задач проектирования на заданном формальном языке, разработка основных теорем и алгоритмов, структуры систем, запись программ на алгоритмическом языке и решение их на универсальной или специализированной ЭВМ с дальнейшим выходом на автоматизированные рабочие места (АРМ) и другое оборудование.

Для большинства задач проектирования формальное разбиение процесса поиска часто затруднительно. Если задачи проектирования сформулировать в теоретико-множественном плане, то обычно приходится встречаться с вопросами, которые могут быть решены, только если перебрать большое число вариантов. Поэтому актуальными являются вопросы: нахождение экономичных способов сокращения перебора; формальное описание тех или иных неформально поставленных задач, методов их расчленения на отдельные шаги, а также организация оптимальных в том или ином смысле процедур поиска вариантов проектирования.

Внастоящее время для решения задач автоматизации проектирования

иконструирования самых различных объектов все более широкое применение находит аппарат теории графов. Объясняется это тем, что язык теории графов во многих случаях адекватен в той или иной мере объектам проектирования, описывает их естественным образом и в то же время позволяет абстрагироваться от конкретных объектов и иметь дело с абстрактными моделями. Это в свою очередь дает возможность строить математически обоснованные алгоритмы проектирования, находить простые и высококачественные решения, рационально и эффективно использовать ЭВМ. Следует отметить, что точное решение задач проектирования большой размерности связано с перебором большого числа вариантов, который затруднителен даже для ЭВМ. Поэтому наравне с точными методами проектирования, основанными на методах исследования операций, используются алгоритмы направленного поиска, которые не дают оптимальных ре-

9

шений, но позволяют получать за приемлемое время достаточные по точности для практических целей результаты.

Обеспечение высокого качества конструирования и решение принципиально новых задач, выдвигаемых техническим прогрессом, возможно лишь на пути использования систем автоматизированного проектирования (САПР) и их непрерывного совершенствования.

2. Системы автоматизированного проектирования

Проектирование называется автоматизированным, если преобразование исходного описания объекта в окончательное, необходимое для его создания, осуществляется взаимодействием человека с ЭВМ.

Средством автоматизации проектирования является система автоматизированного проектирования. САПР – это организационно-техническая система, представляющая собой комплекс средств, которые взаимодействуют с подразделениями проектных организаций, и выполняющая автоматизированное проектирование.

Комплекс средств включает необходимые для выполнения автоматизированного проектирования виды обеспечений:

математическое – правила формального перехода от описания объекта проектирования к его математическим моделям, математические модели задач проектирования, методы и алгоритмы их решения, аналитические средства оценки качества решения задач и используемых алгоритмов; программное – совокупность программ, реализующих проектные процедуры и операции, которые необходимы для получения проектных решений – промежуточного или окончательного описания разрабатывае-

мого объекта; информационное – специальным образом организованные данные

справочного и проектного характера, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования;

лингвистическое – терминология, а также языки программирования и описания объектов и заданий на проектирование;

методическое – совокупность документов, определяющих состав и правила эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования;

организационное – документы, устанавливающие состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними и их функции, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных решений;

техническое – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

Составной частью информационного обеспечения САПР являются автоматизированные банки данных (АБД), которые состоят из базы данных

10

(БД) и системы управления базами данных (СУБД). Автоматизированные банки данных создаются как обслуживающие подсистемы САПР и предназначены для автоматизированного обеспечения необходимыми данными подсистем САПР.

Управление АБД осуществляется специалистами, обеспечивающими целостность, правильность, эффективность использования и функциональные возможности. К АБД предъявляются требования гибкости, надежности, наглядности и экономичности.

Главными задачами САПР являются улучшение качества конструирования и создание средств, обеспечивающих решение принципиально новых задач, выдвигаемых техническим прогрессом.

В частном случае системой автоматизированного конструкторского проектирования можно считать некоторый комплекс алгоритмов с диспетчером, реализованный в виде множества программ, объединенных в пакеты, библиотеки или модули, и автоматизированных рабочих мест, включающих необходимое для выпуска конструкторской документации оборудование. Идеальная система автоматизированного проектирования предполагает такой порядок работ, когда техническое задание, сформулированное конструктором, полностью обрабатывается с помощью ЭВМ. Система программ определяет порядок их следования и тем самым последовательность выполнения отдельных этапов. На выходе ЭВМ индуцируется модель топологии устройства в виде документации для системы автоматизированного управления технологическими процессами.

Даже самые современные ЭВМ не могут заменить конструктора, а лишь способны дополнить его, выполняя нетворческие, рутинные операции. Поэтому в настоящее время наибольшее распространение получили интерактивные системы «человек-машина», работающие в режиме диалога конструктора с ЭВМ. Они особенно эффективны при анализе и решении комбинаторно-логических задач этапа конструкторского проектирования схем. Интерактивные системы должны иметь такую организацию, при которой оптимальным образом сочетаются процессы автоматизированного проектирования с указаниями конструктора, творчески направляющего процесс разработки.

Не менее важные факторы, влияющие на структуру системы, – это определение области ее применения и выбор методологии конструирования. Такая постановка задачи связана с неэффективностью универсализации используемых в системе алгоритмов и программ с целью их применения к различным конструкциям. Поэтому целесообразно включение в систему программ-диспетчеров, с помощью которых производится управление остальными программами. Наличие диспетчера позволяет решить важные вопросы организации системы: возможность свободного «входа» в систему на всех этапах конструирования с целью корректировки промежуточных результатов, возможность использования как пакетов, так и единич-